MAGYARORSZÁGI LÖSZTÍPUSOK MÁGNESES SZÖVETÉNEK ÖSSZEHASONLÍTÓ ELEMZÉSE ÉS SZEREPÜK A PLEISZTOCÉN KORI KÖRNYEZETREKONSTRUKCIÓKBAN BRADÁK BALÁZS Doktori értekezés tézisei Eötvös Loránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar, Földtudományi doktori iskola, Földrajz-meteorológia program Doktori iskola vezetője: DR. NEMES-NAGY JÓZSEF Doktori program vezetője: DR. SZABÓ MÁRIA Témavezető: DR. HORVÁTH ERZSÉBET 2014
1. Bevezetés Dolgozatomban a paleomágneses vizsgálatokban általánosan, de a löszkutatásban csak az utóbbi évtizedben elterjedt módszerrel, mágneses szuszceptibilitás anizotrópia (anisotropy of magnetic susceptibility, AMS) mérésekkel vizsgáltam különböző lösztípusokat és paleotalaj mintákat. Az AMS mérések a mágneses szövetet mágneses ásványtani irányból elemző izotermikus remanens mágnesezettség, frekvenciafüggő szuszceptibilitás és pásztázó elektronmikroszkópos mérésekkel egészültek ki. A magyarországi löszök mágneses szövetét feltáró vizsgálatok újdonságnak számítanak Magyarországon, így mind módszertani szempontból, mind a negyedidőszak kutatáshoz, őskörnyezet rekonstrukciókhoz kapcsolódóan számos kérdést vetettek fel (BRADÁK, B. 2009; BRADÁK, B. et al. 2011; BRADÁK, B. KOVÁCS, J. 2014). 2. Mintavételi helyek Az első szakaszban a mintavételezés a Bagi Tefrát tartalmazó egyes feltárásokban a tefra feletti löszös egységből történt, az esetleges szél-, illetve ülepedési irányok meghatározása céljából (Bag, Basaharc, Dunaszekcső, Galgahévíz, Hévízgyörk, Isaszeg, Sióagárd) (BRADÁK, B. 2009). Ezt követően a különböző löszváltozatok elkülönítése lett a fő irányvonal, melynek során áthalmozott, átkevert löszváltozatokat mintáztam (Hévízgyörk, Lovasberény, Vácbottyán, Verőce). A kutatás harmadik szakaszában az egyes mágneses szövetek közti lehetséges kapcsolat meghatározása lett a fő cél, ezért egy adott feltárás (Cérnavölgy) jellegzetes rétegeinek szövetét elemeztem (BRADÁK, B. et al. 2011; BRADÁK, B. KOVÁCS, J. 2014) 3. Mintavételi és vizsgálati módszerek A mágneses szuszceptibilitás anizotrópia vizsgálataim során KLY-1, illetve KLY-2 Kappabridge típusú műszereket (Geofyzika, Brno) használtam. A letisztított felületű feltárásból az irányított mintavétel során egy mintatömböt emeltem ki, vagy műanyag mintavevő hengereket használtam. A kocka alakú minták esetén a vizsgált szelvényből vízszintes felület tömböt faragtam ki. A faragványon még a falból való kiemelés előtt feltüntettem az északi irányt. A kiemelt tömbből még a terepen, vagy a laboratóriumban 2x2x2 cm oldalélű kockákat faragtam. A kifaragott löszkockákat vízüveg (Na 2 SiO 3 ) híg
oldatának beitatásával fixáltam. A műanyag hengerben vett minták esetén a fenti műveletrészekre értelemszerűen nem volt szükség. Az AMS meghatározásakor mintánként összesen tizenöt mérést végeztem el (Jelinek-eljárás). A mérés során kapott adatok számítógépes feldolgozásával állítottam elő az anizotrópia jellemzőit (κmax, κint, κmin. és ezek irányai). A főszuszceptibilitásokból: P=κmax/κmin (NAGATA, T. 1961;); L=κmax,/κint (BALSLEY, J. R. BUDDINGTON, A. F. 1960), F=κint/κmin (STACEY, F. D. et al, 1960) egyenletek alapján határoztam meg a mérőszámokat. A mágneses ásványtani jellemzők meghatározására telítési mágnesezettség (IRM) méréseket végeztem. A természetes remanens mágnesezettség (NRM) meghatározása után több lépcsőben, a minta z tengely irányában Molspin pulse mágnesezővel 20-tól 1000 mt-ig, illetve a cérnavölgyi minták esetén 10 mt-tól 1000 mt-ig terjedő térben mágneseztem az anyagot és JR-4 magnetométerrel mértem az IRM intenzitás értékeket. A Cisowski-teszt (CISOWSKI, S. 1981) a mágneses szövetet alkotó ferromágneses összetevő uralkodó szemcsemérete, több- (MD), vegyes- vagy egydoménű (SD) jellegét mutatja. A kísérlet első fele egyezik az IRM vizsgálatoknál ismertetettekkel. A felmágnesezést követően a mintát Demag 01-79 műszerrel 3-tól 100 mt-igy terjedő térben, 18 lépésben mágneseztem le. Adott minta frekvenciafüggő szuszceptibilitása a minta alacsony (κ LF ), majd magas frekvencián (κ HF ) megmért szuszceptibilitásának százalékos értékben kifejezett aránya (κ FD =100(κ LF -κ HF )/κ LF ). A laboratóriumi vizsgálatok során Bartington MS2 műszer segítségével határoztam meg az egyes minták alacsony (460 Hz) és magas (4,6 khz) frekvencián mért szuszceptibilitását. 4. Tézisek 1. tézis. A módszer alkalmazhatóságának kérdése pontszerű mintavételi helyekről származó mintákon. Mivel magyarországi feltárásokból származó mintákon célirányosan a mágneses szövet jellemzésére nem végeztek mágneses szuszceptibilitás anizotrópia mérést, ezért az első vizsgálatok a módszer alkalmazhatóságát tesztelték. A vizsgálataim alapján egyértelművé vált, hogy a szuszceptibilitás anizotrópia mérések alkalmazhatók különböző megtartású löszváltozatokon, szövetük anizotróp és elemezhető, az eredmények később a környezetrekonstrukciós vizsgálatokhoz felhasználhatók.
2. tézis. A mágneses szuszceptibilitás anizotrópia vizsgálatok során alkalmazott eddigi statisztikai, elemző módszerek alkalmazhatóságának kérdésköre és kritikája a magyarországi löszök esetén. A különböző anyagok mágneses szövetének jellemzésére az AMS mérések során kapott főszuszceptibilitásokból (minimum, intermedier és maximum szuszceptibilitás) képzett mérőszámokat (anizotrópia foka, P; fóliáció, F; lineáció, L; és ellipszoid alak, E) használják, és ezeket különböző statisztikai elemzésnek vetik alá. Az 1960-as évektől számos módszer terjedt el (pl. hisztogram-elemzések, Flinn-; Jelinek-; Tauxe-diagram; stb.), ám a löszök jellemzésére, kínai löszváltozatok elkülönítésére alapozva egyedül LIU, X., et al (1988) vállalkozott. A kínai vizsgálatokkal szemben, amely két, akár terepi vizsgálatokkal is megkülönböztethető üledéktípus mágneses szövetének tulajdonságait vetette össze statisztikai elemző módszerek segítségével, jelen vizsgálataim során több feltárásból származó, változatos makroszkópos tulajdonságú (pl. homogén, vagy finoman rétegzett üledékes szerkezet) löszváltozatok jellemzésével és csoportosításával próbálkoztam. A magyarországi löszökön végzett vizsgálataim során egyértelművé vált, hogy bár a különböző, eddig használt elemzések segítségével nagy vonalakban elkülöníthetők a löszváltozatok, de nem képezhetők egyértelmű, átfedések nélküli, nagy biztonsággal megkülönböztethető csoportok. 3. tézis. Az AMS eredmények és elemzési módszerek szerepe és lehetőségei őskörnyezetrekonstrukciókban. A döntően statisztikai módszerekre épülő elemzések mellett az AMS vizsgálatok során leggyakrabban használt módszer a főszuszceptibilitások irányainak megjelenítése sztereografikus projekción. A magyarországi löszök mágneses szövetének elemzése során ez a módszer adta a legjobban értékelhető eredményeket. Az egyes főszuszceptibilitások elhelyezkedése, csoportosulásának/szórt elhelyezkedésének mértéke a sztereografikus projekción nem csak a szövet mérőszámairól hordozhat információt, hanem pl. a poranyag ülepedésének körülményeiről (szállítási-ülepedési irányok, domborzati viszonyok) a lösz (és paleotalaj egységek) áthalmozódásának módjáról (az áthalmozó közeg energiájáról), vagy az esetleges talajosodási folyamatokról is. A komplex őskörnyezet rekonstrukció (szállításiülepedési irányok, domborzati viszonyok, talajosodás) felé mozduló vizsgálataim túlmutatnak az eddigi nemzetközi szinten megjelent, löszökkel kapcsolatos publikációkon (pl. BEGÉT, J. E. et al 1990; LAGROIX, F. BANERJEE, S. K. 2002, 2004a, b; MATASOVA, G. KAZANSKY, A. Y. 2004; NAWROCKI, J. et al. 2006), amelyek, LIU, X. et al. (1988) kivételével, elsősorban a lehetséges paleoszélirányok kimutatására fókuszáltak. 4. tézis. A magyarországi löszök mágneses szövetét alkotó ásványok meghatározása.
A löszök mágneses szövetének vizsgálata során elengedhetetlen a mágneses szövetet alkotó ásványok meghatározása. Az elvégzett mágneses ásványtani kísérletek során (pl. telítési mágnesezettség vizsgálatok, frekvenciafüggő szuszceptibilitás mérések, Cisowski-teszt) a vizsgált löszminták mágneses szövetében a ferromágneses, többdoménű, durvább szemű magnetit bizonyult a mágneses szövetet alkotó domináns összetevőnek. A paleotalajok esetén a többdoménű magnetit mellet megjelennek egydoménű, finomszemű magnetitek is, melyek eredete talajképződési folyamatokra vezethető vissza. 5. tézis. Komplex felszínfejlődési modell felvázolása egy adott feltárásban a különböző rétegek mágneses szövetének vizsgálatával. A pontszerű mintavételezést és az elemzéseket követően, egy adott feltárás (Cérnavölgy, Vértesacsa) részletes vizsgálata zajlott a különböző rétegek mágneses szövetének és a szövetek közt fennálló lehetséges kapcsolatok föltárásának céljából. A cérnavölgyi löszváltozatok és paleotalajok vizsgálata eddig löszökben nem azonosított mágneses szövetet (nagy szállítási energiát feltételező pencil szövet), illetve paleotalajokban megfigyelhető, vertikálisan ható, pedogén folyamatokra utaló fordított (inverz) szövetet mutatott ki. A cérnavölgyi komplex vizsgálatokból kiindulva a mágneses szövet vizsgálatok és az azt kiegészítő más mágneses ásványtani kísérletek alapján olyan felszínfejlődési modellt sikerült fölállítanom, mely részletes őskörnyezeti leírást adhat mind a glaciális (vagy stadiális), az enyhébb talajképződési, illetve a kettő közötti átmeneti időszakokról és egyben rávilágít a mágneses szövet jellemzésénél, tipizálásánál alkalmazandó dinamikus szemlélet szükségességére. 5a. tézis. A poranyag ülepedése és a löszképződés időszaka a típusos lösz szövetének képződési körülményeinek leírása vizsgálataim alapján. A poranyag az eljegesedések alatt, száraz-félszáraz sztyepp környezetben (~350-400mm/év becsült csapadék a frekvenciafüggő szuszceptibilitás értékek alapján) ülepedett le (1. ábra). Az ülepedés domborzati körülményeit jól tükrözi az anyag mágneses szövete. Közel vízszintes felszínre történt felhalmozódás során a minták maximum és intermedier szuszceptibilitás irányai által kirajzolt ülepedési sík a sztereografikus projekció peremén, a minimumok által jelzett ülepedési pólus a projekció közepén helyezkedik el (1. ábra). A maximum és intermedier irányok elhanyagolható mértékben csoportosulnak, csak jelentős számú minta esetén (min. 6-10 minta) lehetséges a por ülepedés irányának közelítő meghatározása. A Bagi Tefra fedőjéből rendelkezésre álló kellő számú minta vizsgálatai alapján megállapítottam, hogy a Bagi Tefra képződését követő időszakban ÉK-DNy-i uralkodó ülepedés iránnyal számolhatunk, amelyhez egy másodlagos ÉNy-DK-i tengely
kapcsolódik. Ezek az irányok megegyeznek a jelenkori uralkodó szélirányokkal, a különbség, hogy az említett időszakban inkább a keleties szelek lehettek uralkodóbbak (1. ábra). A minimum irányok eltérése az ülepedési pólustól ha a terepi megfigyelések alapján a tömegmozgásos jelenségeket és az esetleges utólagos neotektonikai hatást kizárhatjuk lejtőn való ülepedést tükröznek. Ebben az esetben a lejtés iránya a minimum irányok kitérésével ellentétes irány (1. ábra). 5b. tézis. Felismertem az enyhébb interglaciális (vagy interstadiális) periódusok talajképző folyamatainak hatását a mágneses szövet változásában. A pleisztocén csapadékosabb klímaszakaszában (~650 mm/év becsült csapadék) zajló talajképződést a paleotalajok jelentős szuperparamágneses ásványtartalma jelzi. A vizsgált minták szövetében a talajszelvényben ható vertikális folyamatokra (pl. leszivárgás, anyagvándorlás) utal a paleotalajok szövetének átalakulása. Az inverz szövet kialakulásának mértéke (maximum szuszceptibilitás inklinációjának és az ülepedés pólusának különbsége) ebben az esetben a talajosodás mértékének, így a talajt kialakító éghajlati sajátosságoknak is az indikátora lehet (pl. Cérnavölgy különböző paleotalaj szintjeinek mágneses szövete). A talajképződés alatt ható biogén folyamatok átkeverő szerepe a vártnál kisebb mértékben befolyásolta a vizsgált dunaszekcsői minta szövetét. A makroszkóposan állat- és gyökérjáratokkal erősen átjárt minta szövete a típusos, bolygatatlan löszökéhez volt hasonló. Az egyetlen átkeveredésre utaló különbség a főszuszceptibilitások szórtabb elhelyezkedése a sztereografikus projekción. 5c. tézis. Jellemeztem az átmeneti periódusokat a pleisztocén klímaciklusok között kapcsolatot kerestem az áthalmozott löszök mágneses szövete és a szállítási energia változása között. A talajképződési folyamatot nem közvetlenül követi egy újabb porhullási periódus. A két fő szakasz közti átvezető időszak egy szintén jelentős mennyiségű, de feltehetően rapszodikusabb, hosszabb időközönként érkező csapadékhullással jellemezhető eróziós periódus. A talajképződési periódus végén, és/vagy a löszképződési periódus elején szélsőségesebbé váló éghajlatot az áthalmozott löszök szövete is tükrözi (1. ábra). Az enyhe irányítottságot mutató típusos lösz szerkezetének átalakulása különböző szállítási energiák hatására a következőképpen alakulhat: Az anyagot érő kis energiájú áthalmozás esetén a főszuszceptibilitás irányok csoportosulása figyelhető meg. Nő a lineáció, mellyel párhuzamosan csökken a fóliáció, és az anizotrópia foka is (1. ábra). Az lapított szuszceptibilitás ellipszoid triaxiálissá (háromtengelyűvé), majd nyújtottá válhat. Ebben az esetben a terepi vizsgálatok során nem mindig azonosítható
finoman rétegzett üledékes szerkezet, csak a mágneses szövet tükrözi a folyamatot. A szövet kialakítója lehet kis energiájú, felületi leöblítéshez kapcsolható lamináris áramlás, illetve talajfolyásos jelenségekhez kapcsolt anyagmozgás. A szállítási energia növekedése a mágneses szövet átkeveredéséhez vezet. Ezekben az esetekben a főszuszceptibilitások csoportjai fölbomlanak, csak nehezen azonosíthatók az áthalmozás irányai. Érdekesség, hogy a terepi vizsgálatok során jól azonosíthatók az áthalmozásra utaló laminák, tehát az előbbi közegnél mindenképpen erősebb szállítási energiával számolhatunk. A szállítási energiák és irányaik rapszodikus változásakor összetett szövet jöhet létre, különböző mértékben és számban csoportosuló maximumokkal, a több elkülönülő csoport miatt kialakuló csökkenő anizotrópia fokkal. A terepi vizsgálatok ennél a szövetnél változatos szemcseméretű lemezes rendszert mutatnak. A tovább növekvő energiával a szállítási irányok egyértelművé válnak, a főszuszceptibilitás csoportok egyre szorosabb egységeket alkotnak (pl. Lovasberény Verőce áth. Vácbottyán áth. sorozat) (1. ábra). A löszöknél megfigyelt legerősebb szállítási közegre utal az irányított pencil szövet. Ilyen mágneses szövetet feltételezhetően turbulens áramlás alakít ki (pl. Cérna-völgy, L3 áth réteg). Ekkor a közegben a szemcsék már nem hosszanti irányban helyezkednek el, hanem a szállítási irányra merőlegesen görgetődnek előre. A komplex elemzés során, amely az egyszerű mérőszám-elemzésektől a különböző összekapcsolt módszerekig tartott, bonyolult kép alakult ki a löszök mágneses szövetének természetéről. Bonyolult a kép abban az esetben, ha az egyes csoportok teljes elkülönítésére törekszünk, mert ez teljes biztonsággal és bizonyossággal nem lehetséges. El kell szakadnunk attól a szemlélettől, hogy mindent halmazokba szeretnénk sorolni bár az elemzési módszerek jelentős része szinte kényszerít erre és dinamikus szemlélettel, folyamatában szükséges a löszök mágneses szövetének fejlődését vizsgálni. Az egyes elemzési módszerek megléte sem hiábavaló, az így kialakult csoportok adják azokat az állapotokat, melyek közt a kapcsolatot kialakító-átalakító földtani folyamatokat a halmazok átfedő részei jelentik..
1. ábra: Felszínalakító folyamatok és lehetséges indikátoraik a mágneses szövetben Irodalom BALSLEY, J. R. BUDDINGTON, A. F. 1960: Magnetic Susceptibility Anisotropy and Fabric of Some Adirondack Granites and Orthogneisses, American Journal of Science, 258-A, pp. 6-20, in: HROUDA, F. 1982: Magnetic anisotropy of rock and its application in geology and geophysics, Geophysical Survey 5, pp. 37-82. BEGÉT, J. E., STONE, B. D., HAWKINS, B. D. 1990: Paleoclimatic forcing of magnetic susceptibility variations in Alaskan loess during the late Quaternary, Geology 18, pp. 40-43. BRADÁK, B., 2009. Application of anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) for the determination of paleo-wind directions during the accumulation period of Bag Tephra, Hungary. Quaternary International 198, 77-84. BRADÁK, B., THAMÓ-BOZSÓ, E., KOVÁCS, J., MÁRTON, E., CSILLAG, G., HORVÁTH, E., 2011. Characteristics of Pleistocene climate cycles identified in Cérna Valley loess paleosol section (Vértesacsa, Hungary). Quaternary International, 234, 86-97.
BRADÁK, B., KOVÁCS, J. 2014, Quaternary surface processes indicated by the magnetic fabric of undisturbed, reworked and fine-layered loess in Hungary. Quaternary International 319, pp. 76-87. HROUDA, F., JANÁK, F., REJL, L., WEISS, J. 1971: The Use of Magnetic Susceptibility Anisotropy for Estimating the Ferromagnetic Mineral Fabrics of Metamorphic Rocks, Geological Research 60, pp. 1124-1142. LAGROIX, F. - BANERJEE, S. K. 2002: Paleowind direction from the magnetic fabric of loess profile in central Alaska, Earth and Planetary Science Letters 195, pp. 99-102. LAGROIX, F. - BANERJEE, S. K. 2004a: Cryptic post-depositional reworking in aeolian sediments revealed by the anisotropy of magnetic susceptibility, Earth and Planetary Science Letters 224, pp. 453-459. LAGROIX, F. - BANERJEE, S. K. 2004b: The regional and temporal significance of primary aeolian magnetic fabrics preserved in Alaskan loess, Earth and Planetary Science Letters 225, pp. 379-395. LIU, X., XU, T., LIU, T 1988: The Chinese loess in Xifeng, II. A study of anisotropy of magnetic susceptibility of loess from Xifeng, Geophysical Journal 92, pp. 349-353. MATASOVA, G. KAZANSKY, A. Y. 2004: Magnetic properties and magnetic fabrics of Pleistocene loess/palaeosol deposits along west-central Siberian transect and their palaeoclimatic implications, Geological Society, London, Special Publications 238, 145-173. NAGATA, T. 1961: Rock Magnetism, Maruzen, Tokio, 320 p. NAWROCKI, J.,POLECHOŃSKA, O.,BOGUCKIJ, A.,ŁANCZONT, M. 2006: Palaeowind directions recorded in the youngest loess in Poland and western Ukraine as derived from anisotropy of magnetic susceptibility measurements, Boreas 35, pp. 266-271. STACEY, F.D., JOPLIN, G., LINDSAY, J. 1960: Magnetic Anisotropy and Fabric of Some Foliated Rock from S.E. Australia, Geofiz. Pura. Appl. 47, pp. 30-40, In: HROUDA, F. 1982: Magnetic anisotropy of rock and its application in geology and geophysics - Geophysical Survey 5, pp. 37-82.
Bradák Balázs témával kapcsolatos publikációi BRADÁK, B., KOVÁCS, J. 2014. Quaternary surface processes indicated by the magnetic fabric of undisturbed, reworked and fine-layered loess in Hungary, Quaternary International 319, 76-87. (1,962, 2014) BRADÁK, B., THAMÓ-BOZSÓ, E., KOVÁCS, J., MÁRTON, E., CSILLAG, G., HORVÁTH, E., 2010. Characteristics of Pleistocene climate cycles identified in Cérna Valley loess-paleosol section (Vértesacsa, Hungary). Quaternary International, Volume 234, Issues 1 2, 1 April 2011, 86-97 (1,962, 2014) BRADÁK, B., MÁRTON, E., HORVÁTH, E., CSILLAG, G., 2010: Pleistocene climate and environment reconstruction by the paleomagnetic study of a loess-paleosol sequence (Cérna Valley, Vértesacsa, Hungary). Central European Geology, 52/1, 31 42, DOI: 10.1556/CEuGeol.52.2009.1.2. BRADÁK B., 2009. Application of anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) for the determination of paleo-wind directions during the accumulation period of Bag Tephra, Hungary. Quaternary International 198, 77-84. (1,962, 2014) BRADÁK, B., CSILLAG G., HORVÁTH E. (2008): Pleisztocén felszínalakító folyamatok és klímaciklusok tükröződése a löszök mágneses szövetében (cérna-völgyi feltárás, Vértes). IV. Földrajzi Konferencia kötete, Debrecen, 78-84. ISBN 978-963-06-6004-4. BRADÁK B. (2007): A zavartalan településű és az áthalmozott löszök mágneses szövetének jellemzése mágneses szuszceptibilitás anizotrópia (AMS) mérésekkel. Földtani Közlöny 137/4, 541-556. BRADÁK B. (2006): Meghatározható-e a paleoszélirány löszfeltárások mágneses szuszceptibilitás anizotrópia vizsgálatával? - Válaszok Bulla Bélának. Földrajzi Közlemények, 130 (54)/3-4, 185-198.